 為什么跨越了千年的時(shí)空，跨越了萬(wàn)里重洋，跨越了不同人種，人類都會(huì)不約而同地選擇去探索科學(xué)呢？他們探索的動(dòng)機(jī)是什么？ 在我看來(lái)，于個(gè)人而言，科學(xué)的首要價(jià)值在于，它是達(dá)到內(nèi)心安寧的最可靠途徑。寧?kù)o內(nèi)心最大的敵人是恐懼和憂慮，而恐懼與憂慮都源于未知。人們不知道自己從哪里來(lái)，亦找不到自己的歸宿，所以會(huì)不停地追問(wèn)：“我們從哪里來(lái)？要到哪里去？” 1642 年伽利略去世，1643 年牛頓出生，在我們回顧物理學(xué)歷史的時(shí)候，他們兩人也許是我們最不能忘記的。伽利略開(kāi)啟了現(xiàn)代物理學(xué)，而牛頓是經(jīng)典力學(xué)的集大成者。1687 年，在對(duì)先賢成果加以總結(jié)的基礎(chǔ)上，牛頓寫出并出版了《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》，提出了三大運(yùn)動(dòng)定律，其中第一條就是墨子曾經(jīng)提出的“止，以久也，無(wú)久之不止”，也就是我們所熟悉的慣性定律。 在三大運(yùn)動(dòng)定律的基礎(chǔ)上，牛頓又根據(jù)開(kāi)普勒的研究成果，提出了他的萬(wàn)有引力定律。偉大的萬(wàn)有引力定律被發(fā)現(xiàn)之后，蘋果落地、星星繞太陽(yáng)轉(zhuǎn)等天上地下的現(xiàn)象，都可以被統(tǒng)一地解釋。這既帶來(lái)了人類思想的巨大解放，在后來(lái)也讓很多物理學(xué)家深感憂慮。 說(shuō)它帶來(lái)思想的巨大解放，是因?yàn)槿祟悘拇肆私獾剑菏澜缡仟?dú)立于人類而存在的。我們可以對(duì)世界進(jìn)行凝視深思，通過(guò)對(duì)它的部分了解，認(rèn)識(shí)到這個(gè)世界的某些部分是可知的。本質(zhì)上，這就是對(duì)“物理學(xué)美且具有強(qiáng)大力量”的一種證明。我們知道人類只不過(guò)是星系中很小的一部分。不過(guò)那時(shí)的人們只能計(jì)算軌道，依然不能解答“我們從哪里來(lái)，要到哪里去”的問(wèn)題。 盡管如此，當(dāng)牛頓把三大運(yùn)動(dòng)定律和萬(wàn)有引力定律建立起來(lái)以后，科學(xué)家還是隱隱有了一種“看破宇宙奧秘”的感覺(jué)。在思想上，這就帶來(lái)了巨大的解放。人們感受到一種“先天的和諧”，在自然規(guī)律中感受到“這真是太有意思了”，從而獲得了心靈的自由和寧?kù)o，這其實(shí)也就是我所說(shuō)的，科學(xué)家們探索的動(dòng)機(jī)。 隨著科學(xué)繼續(xù)向前發(fā)展，人們意識(shí)到，原來(lái)天上的電和地上的電是一樣的。后來(lái)，法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)磁與電是相互聯(lián)系的。麥克斯韋在 1864 年發(fā)表了《電磁場(chǎng)的動(dòng)力學(xué)理論》，建立了電動(dòng)力學(xué)，將一切光、電、磁的現(xiàn)象統(tǒng)一為由一個(gè)方程組來(lái)描述。 很多看起來(lái)獨(dú)立的現(xiàn)象被完全統(tǒng)一了?？茖W(xué)戰(zhàn)勝了愚昧，隨之而來(lái)的是以電力技術(shù)為代表的產(chǎn)業(yè)變革?？茖W(xué)家們?cè)桨l(fā)認(rèn)為科學(xué)是可靠的，最終得到了一種心靈的解放和自由。 那為什么還有物理學(xué)家會(huì)焦慮呢？因?yàn)橹钡侥菚r(shí)，科學(xué)家們依然無(wú)法回答 “我們從哪里來(lái)，要到哪里去”這一問(wèn)題。雖然那時(shí)大多數(shù)科學(xué)家都對(duì)科學(xué)的發(fā)展?fàn)顩r感到滿意，但一個(gè)新的問(wèn)題擺在了他們面前：一旦確定了初始狀態(tài)，那么所有粒子的狀態(tài)都是可以被精確預(yù)言的。這個(gè)世界上的一切是不是都可以用公式來(lái)預(yù)言？我將來(lái)會(huì)成什么樣的人以及你此時(shí)正在看這篇文章，是不是都可以被計(jì)算出來(lái)？那么在宇宙的規(guī)律之下，個(gè)人的努力又有什么用呢？宇宙規(guī)律又是從何而來(lái)呢？這些問(wèn)題，當(dāng)時(shí)的人們無(wú)法回答。 到了20世紀(jì)初，兩個(gè)偉大的科學(xué)家出現(xiàn)之后，這個(gè)問(wèn)題有了新的回答。 普朗克提出了量子論，所有微觀世界的規(guī)律都遵從量子理論；愛(ài)因斯坦隨后提出了相對(duì)論，時(shí)間和空間的規(guī)律由相對(duì)論所描述。當(dāng)我們把這兩個(gè)理論結(jié)合在一起的時(shí)候，我們居然能初步通過(guò)大爆炸理論了解宇宙的起源與演化了。 宇宙的起源與演化 100多億年前，由于量子漲落，一個(gè)“奇點(diǎn)”發(fā)生了爆炸，“炸”出了時(shí)間、空間和構(gòu)成萬(wàn)物的基本粒子。最初，宇宙中只有氫和氦兩種元素，它們?cè)谝Φ淖饔孟戮奂谝黄?，形成了第一代恒星，宇宙中也終于有了第一縷可見(jiàn)光。 物質(zhì)燃燒時(shí)有輻射，宇宙向外膨脹，引力則控制宇宙收縮，互相之間達(dá)到一種暫時(shí)的平衡。 恒星聚變后，慢慢形成了一個(gè)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。但當(dāng)恒星在核聚變過(guò)程中原料燃燒殆盡后，就無(wú)法再抵御引力塌縮，最后形成新的爆炸，也就是超新星爆發(fā)。然后，它會(huì)變成中子星或者黑洞。 宇宙要誕生生命，比人類的母親懷胎十月困難得多。100多億年前奇點(diǎn)大爆炸；經(jīng)歷引力、聚變等作用，大約50億年前，太陽(yáng)形成了；大約40億年前，生命開(kāi)始在地球上出現(xiàn)、進(jìn)化；5億年前，初等海洋生物出現(xiàn)；4 億多年前，陸地上出現(xiàn)植物；大約3.6億年前，出現(xiàn)兩棲動(dòng)物；2.3 億年前，開(kāi)始出現(xiàn)恐龍等爬行類動(dòng)物；1.4 億年以前，出現(xiàn)哺乳類動(dòng)物；500萬(wàn)年前，出現(xiàn)人類始祖；180 萬(wàn)年前，有了原始人；直到 20萬(wàn)年前，才有了人類的祖先——智人。 到目前為止，人們通過(guò)觀測(cè)到的現(xiàn)象與考古的研究，大概勾畫出了人類起源的雛形，對(duì)“我們從哪里來(lái)，要到哪里去”也有了一個(gè)初步的概念。 量子力學(xué)打破了機(jī)械決定論，正如霍金所說(shuō)：“即使是相信一切都是上天注定的人，在過(guò)馬路時(shí)也會(huì)左右看，以免被車撞到。” 那么，量子力學(xué)是如何打破經(jīng)典力學(xué)帶來(lái)的機(jī)械決定論的呢？ 很多人讀過(guò)《西游記》，《西游記》是人類創(chuàng)造力的杰出體現(xiàn)，書(shū)中記錄了很多有趣的概念，比如“天上一日，地上一年”“千里眼和順風(fēng)耳”“筋斗云”，再比如孫悟空的分身術(shù)。 愛(ài)因斯坦的相對(duì)論告訴我們，“天上一日，地上一年”是可以成為現(xiàn)實(shí)的。假定有一對(duì)雙胞胎，其中一個(gè)做了宇航員去太空中旅行，而另一個(gè)留在地球上。如果飛船的速度快到接近光速，地球上很多年過(guò)去了，宇航員回到地球會(huì)發(fā)現(xiàn)，他的兄弟垂垂老矣，而他卻仍和出發(fā)時(shí)一樣年輕。  筋斗云讓孫悟空在空中跑得非?？欤路鹂梢栽谝粋€(gè)地方突然消失，然后又在很遠(yuǎn)的地方突然出現(xiàn)。我們的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明，在量子世界中，“筋斗云”是真實(shí)存在的。利用量子糾纏原理，我們可以使相隔遙遠(yuǎn)的兩處的物質(zhì)處于糾纏態(tài)。 所謂糾纏態(tài)，就是指處于糾纏態(tài)的兩個(gè)物體，不管相距多遠(yuǎn)，一邊的結(jié)果確定了，另一邊的結(jié)果也會(huì)確定，且兩個(gè)結(jié)果緊密關(guān)聯(lián)。即使把A點(diǎn)的物質(zhì)完全摧毀，但只要關(guān)于它的全部信息已經(jīng)被“傳送”到 B 點(diǎn)，通過(guò)數(shù)據(jù)處理，利用在 B處的物質(zhì)可以把已被摧毀的物質(zhì)重新構(gòu)造出來(lái)。這就像“筋斗云”一樣。很多年前，我們?cè)谝蛩共剪斂俗隽诉@個(gè)實(shí)驗(yàn)，盡管當(dāng)時(shí)只能“傳送”一個(gè)粒子，但也在國(guó)際上引起了巨大的轟動(dòng)，不過(guò)目前我們還無(wú)法“傳送”復(fù)雜的個(gè)體——比如人體，畢竟人體中大概有 10的28 次方個(gè)粒子。 量子物理也同樣允許“分身術(shù)”的存在，因?yàn)榱孔邮澜绾团ｎD的世界是不一樣的。 在牛頓的經(jīng)典物理世界中，蘋果要么在桌子上，要么在地上，它不可能同時(shí)在桌子上和在地面上。如果我們把“蘋果在桌子上”叫作“0”，在地面上叫作 “1”，它只能處于“0”“1”兩個(gè)可能狀態(tài)中的一個(gè)；而在量子世界中，它可以同時(shí)處于各種地方—就像大家熟知的薛定諤那只“又死又活”的貓。在量子的世界中，當(dāng)貓和我們沒(méi)有互相作用的時(shí)候，它處于生和死的疊加狀態(tài)。 墨子曾說(shuō)：“端，體之無(wú)序最前者也?！绷孔釉诒举|(zhì)上，就是一個(gè)最基本的、不可分割的單元，它擁有不可分割性和可疊加性兩種特性。對(duì)于像貓這種較大的實(shí)體，我們還無(wú)法塑造出這種狀態(tài)，但對(duì)于微觀顆粒已經(jīng)很容易實(shí)現(xiàn)了。光的最小單元叫光子，光子會(huì)同時(shí)在水平和豎直方向振動(dòng)，這就是“0”和“1”的疊加。一旦我們測(cè)量它，它的狀態(tài)就會(huì)被影響。 為了解釋這種現(xiàn)象，我們先明確兩點(diǎn)，第一，在沒(méi)有觀測(cè)微觀個(gè)體時(shí)，它可以同時(shí)處于兩種狀態(tài)；第二，一旦對(duì)微觀個(gè)體進(jìn)行觀測(cè)，對(duì)它的影響是巨大的，它會(huì)變成只有一種狀態(tài)。 如果我們對(duì)想要了解的微觀粒子進(jìn)行拍照，它的狀態(tài)就不能再變化了，因此我們不能得到關(guān)于它的全部信息。由量子這個(gè)最簡(jiǎn)單的原理，我們得知最小顆粒是測(cè)不準(zhǔn)的，測(cè)不準(zhǔn)也就不能被復(fù)制。在生命科學(xué)中，當(dāng)兩個(gè)人的基因序列完全相同的時(shí)候，其中一個(gè)就是克隆人；但量子物理學(xué)認(rèn)為，這兩個(gè)人只是“硬件”一樣，里面的思想、其中原子的狀態(tài)，是測(cè)不出來(lái)的。所以，人作為個(gè)體，每個(gè)都是獨(dú)一無(wú)二的存在。  量子力學(xué)中神奇的測(cè)量 除了哲學(xué)問(wèn)題，量子力學(xué)也可以解決科學(xué)問(wèn)題。比如，如果信息處理中也存在“0”和“1”同時(shí)存在這種現(xiàn)象的話，就成為量子通信。 利用量子不可分割、不可被復(fù)制的性質(zhì)，A 給 B 發(fā)送一些單光子作為密鑰，如果C想要竊聽(tīng)，那C只有兩個(gè)選擇：其一是拿走作為密鑰的單光子，這樣B就收不到A的信息了，所以可以發(fā)現(xiàn)通信被竊聽(tīng)了；其二是對(duì)密鑰進(jìn)行拍照，但在拍照的過(guò)程中，會(huì)改變單光子的狀態(tài)，因此B 也可以發(fā)現(xiàn)自己被竊聽(tīng)了。 正是因?yàn)槿绱?，利用量子技術(shù)，我們可以實(shí)現(xiàn)不可破譯、無(wú)條件安全的通信。你可能還想問(wèn)，量子力學(xué)對(duì)打破經(jīng)典力學(xué)帶來(lái)的決定論有什么幫助呢？ 經(jīng)典物理學(xué)告訴我們，世界是完全獨(dú)立于個(gè)人而存在的，規(guī)律永恒不變；量子力學(xué)告訴我們，世界雖然在很大程度上獨(dú)立于你而存在，但你的探索和努力對(duì)這個(gè)世界的演化是有影響的。 那么，未來(lái)的量子計(jì)算機(jī)是否會(huì)發(fā)展到人類大腦的程度呢？目前科學(xué)家并不能確定，這也給了我們一個(gè)向更深層次探索的動(dòng)機(jī)。因?yàn)榭茖W(xué)家對(duì)量子信息的研究并非只是為了通信和計(jì)算，而是希望探索人類意識(shí)從何而來(lái)。如果說(shuō)我們看到的世界是人類大腦對(duì)世界的一種映射，那我們不禁想問(wèn)：大腦是如何理解這個(gè)世界的？期待隨著研究的深入，我們可以得到更多知識(shí)和發(fā)現(xiàn)。 科技的進(jìn)步使得信息交互的效率越來(lái)越高，從早期的口口相傳、千里傳書(shū)，到熱力學(xué)和力學(xué)的應(yīng)用促使了鐵路、火車等工具的出現(xiàn)，極大加快了人類的交互速度。再到電力學(xué)的廣泛應(yīng)用，人類迎來(lái)第二次工業(yè)革命，世界變得更小。而量子力學(xué)等理論的應(yīng)用，帶來(lái)了電子計(jì)算機(jī)和第三次工業(yè)革命，形成了現(xiàn)在的互聯(lián)網(wǎng)，世界在人類的探索中不斷向前發(fā)展。 人類自古以來(lái)就對(duì)世界有恐懼感，而科學(xué)可以幫助人們了解宇宙的規(guī)律、增長(zhǎng)智慧，有了智慧之后，人類就不再困惑，也不再因?yàn)樽陨碓谟钪嬷械拇嬖诙械娇謶植话?。?dāng)心安定了，人們做任何事情，成功也好，不成功也罷，都不那么容易患得患失。人心的焦慮往往源于此：沒(méi)有時(shí)怕得不到，得到后又唯恐失去。 用愛(ài)因斯坦的話來(lái)說(shuō)，人類探索的一個(gè)主要目的就是追求思想上的解放。盡管科學(xué)探索的路并非坦途，但歸根到底依然是為了仁、智、勇，為了真正做好一個(gè)“人”，這也是科學(xué)探索的最終奧義了。 以上內(nèi)容整理自潘建偉院士 2016 年在“墨子沙龍”上發(fā)表的演講，摘自《科學(xué)之美》一書(shū)。 作者簡(jiǎn)介： 潘建偉，中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授，現(xiàn)任中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)常務(wù)副校長(zhǎng)、中國(guó)科學(xué)院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院院長(zhǎng)。潘建偉在量子光學(xué)、量子信息和量子力學(xué)基礎(chǔ)問(wèn)題檢驗(yàn)等領(lǐng)域做出了重要貢獻(xiàn)，是中國(guó)量子信息領(lǐng)域的領(lǐng)軍學(xué)者。在超冷原子量子模擬、量子化學(xué)、量子成像等領(lǐng)域，潘建偉也做出了眾多有影響力的工作。因其杰出成就，潘建偉榮獲了眾多重要獎(jiǎng)項(xiàng)，包括歐洲物理學(xué)會(huì)菲涅爾獎(jiǎng) （2005 年）、QCMC 國(guó)際量子通信獎(jiǎng)（2012 年）、國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)（2015 年）、未來(lái)科學(xué)大獎(jiǎng)（2017 年）、墨子量子獎(jiǎng)（2019 年）、 蔡司研究獎(jiǎng)（2020 年）等。  |
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